隧道襯砌養護臺車智能養護系統研究

紀博林

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 隧道襯砌養護的必要性

水泥是一種水硬性無機膠凝材料，是組成混凝土的重要組成部分[1]?；炷翝仓?，如不及時進行養護，混凝土中水分會蒸發過快，形成脫水現象，使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，無法轉化為穩定的結晶，缺乏足夠的粘結力，從而會在混凝土表面出現片狀或粉狀脫落[2]。因此，為提高混凝土澆筑質量，后期的養護至關重要，尤其是混凝土養護期間的溫度和濕度控制[3]必須到位。襯砌混凝土養護的目的是為混凝土提供適宜的硬化條件。隧道襯砌混凝土澆筑完成后，如不及時進行養護，會因膠凝材料水化不充分、襯砌內外溫度差和混凝土干縮等原因產生裂縫[4]。目前，在國內隧道施工中，襯砌養護一般采用自然養護，此養護方法受外界環境以及人為因素影響較大，養護效果不佳，難以保證襯砌的質量和使用壽命。

2 隧道襯砌智能養護臺車介紹

京張高鐵八達嶺隧道，采用添加粉煤灰和石粉的現澆高性能混凝土二次襯砌[5-6]。為提高襯砌混凝土施工質量和使用壽命，需要為襯砌混凝土提供一種溫度和濕度相對可控的養護環境，使襯砌混凝土達到最佳的養護效果。

2.1 結構組成

隧道襯砌智能養護臺車是一個可以自動或人工操控行走的，具備噴水、探測、調節、通信等各種功能的綜合性平臺，主要由門架主結構、外拱、走行系統、加熱系統、密封系統、霧化系統、智能溫濕度控制系統等組成，如圖1所示。其中，門架主結構需考慮隧道內通風管的布置和隧道內物流通道。

圖1 隧道襯砌智能養護臺車三維效果圖

2.2 現場應用情況

隧道襯砌養護臺車采用輪軌走行方式，軌距和現場施工襯砌臺車相同，可實現與襯砌臺車共軌，減少軌道數量[7]。養護臺車采用跟隨梯次配置模式，其在隧道內位置如圖2所示。襯砌臺車在最前方進行施工，后方緊跟兩臺養護臺車，第1臺具備升溫、保溫、保濕功能，第2臺具備保溫、保濕功能。當襯砌施工完成時，養護臺車快速就位，及時對混凝土進行養護。這樣，襯砌混凝土在硬化過程中，養護臺車為襯砌混凝土提供了一個溫度和濕度相對可控的環境，避免混凝土因溫度或濕度不宜造成開裂、掉塊等病害，提高了襯砌混凝土的使用壽命。養護臺車在隧道內進行養護作業見圖3所示。

3 智能溫濕度控制系統設計

智能溫濕控制系統是養護臺車的核心，由溫濕度控制器、傳感器和加熱、加濕部分組成，可以實現對養護區域的智能控制與調節，降低人為原因的影響。該智能控制系統具備數顯、自動生成曲線、報表、數據保存和輸出等功能，可實現移動終端APP的遠程在線控制。養護臺車溫濕度控制系統具備以下功能：①系統無線自動定時數據采集、保存、上傳；②根據工藝設定溫度；③系統自動溫度數據處理及數據異常報警；④溫度時間曲線報表輸出；⑤溫度數據日最大值、最小值及平均值輸出；⑥歷史數據保存及查詢；⑦數據庫記錄可編輯；⑧能自動控制蒸汽閥門實現自動化蒸汽養護。

3.1 溫度控制系統工作原理

該系統由一臺中央控制器(工控機、PLC)接收到無線采集溫度數據，經PID控制算法與系統設定的工藝參數進行比對，輸出相應的指令控制模擬量的大小控制相應電磁閥實現自動化的控制，自動控制原理見圖4所示。

圖4 隧道襯砌養護臺車溫濕度控制系統

養護臺車溫度在線監控系統見圖5所示。溫控系統能記錄各個傳感器的實時溫度，并能導出溫度曲線，可生成報表并打印。該系統實時顯示24路溫度、3路濕度的數據，支持數據導出打印，支持報警數據查詢，可控制24路繼電器輸出，軟件可以實現手動和自動開啟電熱毯的功能，現場以24個電熱毯作為控制對象，分升溫和降溫兩個部分，每個部分分為6個階段來實現，每個階段可以自由設定需要控制的溫度值和保持恒溫的時間。

圖5 隧道襯砌養護臺車溫度在線監控系統

通過預埋傳感器，測量出隧道襯砌拱頂和拱腰混凝土芯部溫度變化曲線，見圖6所示。

圖6 隧道襯砌芯部溫度養護時間變化曲線

3.2 濕度控制系統工作原理

隧道襯砌智能養護采用微米級霧化加濕，利用5～10 μm霧化噴頭、不銹鋼高壓流體輸送管道實現區域霧化，并通過濕度傳感器將數據傳至控制器，以達到養護濕度智能控制。霧化系統配備加熱設施，通過操作界面控制噴出霧化水的溫度，從而使霧化水和襯砌混凝土溫差較小。養護臺車噴出的霧化水效果見圖7所示。

圖7 隧道養護臺車噴出的霧化水效果

4 現場應用效果

隧道中襯砌混凝土，由于環境中的CO2含量常年處于較高水平，碳化深度加大，降低了混凝土抗彎拉性能。在隧道襯砌相關位置，通過混凝土強度檢測儀和濃度為1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞中測量表面強度值和碳化深度值。

現場試驗表明，通過養護臺車進行隧道襯砌混凝土的養護，混凝土的表面強度有所提高，混凝土的碳化深度降低。襯砌智能養護臺車養護與隧道自然養護效果檢測對比見表1所示。隧道襯砌經養護后，表面強度提高百分比達到預期，碳化深度明顯降低。結果表明，采用隧道襯砌養護臺車進行襯砌的初期養護能夠有效提高襯砌質量和壽命。

表1 表面強度養護效果對比

5 結束語

隧道襯砌智能養護臺車屬于國內首創，并在施工環境相對惡劣的京張高鐵八達嶺隧道施工中成功應用。智能養護系統結合了智能控制與無線傳感技術，實現了隧道養護過程的自動化控制；同時提高了高速鐵路隧道襯砌養護質量，并且對穿越晝夜大溫差地區隧道襯砌養護具有一定的指導意義，可作為今后高速鐵路提高隧道施工質量的借鑒。